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title: Web 实时消息推送详解
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category: 系统设计
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icon: "messages"
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head:
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- - meta
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- name: keywords
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content: 消息推送,短轮询,长轮询,SSE,Websocket,MQTT
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- - meta
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- name: description
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content: 消息推送通常是指网站的运营工作等人员，通过某种工具对用户当前网页或移动设备 APP 进行的主动消息推送。
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> 原文地址：<https://juejin.cn/post/7122014462181113887，JavaGuide> 对本文进行了完善总结。
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我有一个朋友做了一个小破站，现在要实现一个站内信 Web 消息推送的功能，对，就是下图这个小红点，一个很常用的功能。
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不过他还没想好用什么方式做，这里我帮他整理了一下几种方案，并简单做了实现。
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## 什么是消息推送？
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推送的场景比较多，比如有人关注我的公众号，这时我就会收到一条推送消息，以此来吸引我点击打开应用。
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消息推送通常是指网站的运营工作等人员，通过某种工具对用户当前网页或移动设备 APP 进行的主动消息推送。
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消息推送一般又分为 Web 端消息推送和移动端消息推送。
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移动端消息推送示例：
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Web 端消息推送示例：
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在具体实现之前，咱们再来分析一下前边的需求，其实功能很简单，只要触发某个事件（主动分享了资源或者后台主动推送消息），Web 页面的通知小红点就会实时的 `+1` 就可以了。
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通常在服务端会有若干张消息推送表，用来记录用户触发不同事件所推送不同类型的消息，前端主动查询（拉）或者被动接收（推）用户所有未读的消息数。
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消息推送无非是推（push）和拉（pull）两种形式，下边我们逐个了解下。
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## 消息推送常见方案
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### 短轮询
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**轮询(polling)** 应该是实现消息推送方案中最简单的一种，这里我们暂且将轮询分为短轮询和长轮询。
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短轮询很好理解，指定的时间间隔，由浏览器向服务器发出 HTTP 请求，服务器实时返回未读消息数据给客户端，浏览器再做渲染显示。
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一个简单的 JS 定时器就可以搞定，每秒钟请求一次未读消息数接口，返回的数据展示即可。
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```typescript
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setInterval(() => {
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// 方法请求
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messageCount().then((res) => {
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if (res.code === 200) {
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this.messageCount = res.data;
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}
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});
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}, 1000);
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```
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效果还是可以的，短轮询实现固然简单，缺点也是显而易见，由于推送数据并不会频繁变更，无论后端此时是否有新的消息产生，客户端都会进行请求，势必会对服务端造成很大压力，浪费带宽和服务器资源。
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### 长轮询
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长轮询是对上边短轮询的一种改进版本，在尽可能减少对服务器资源浪费的同时，保证消息的相对实时性。长轮询在中间件中应用的很广泛，比如 Nacos 和 Apollo 配置中心，消息队列 Kafka、RocketMQ 中都有用到长轮询。
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[Nacos 配置中心交互模型是 push 还是 pull？](https://mp.weixin.qq.com/s/94ftESkDoZI9gAGflLiGwg)一文中我详细介绍过 Nacos 长轮询的实现原理，感兴趣的小伙伴可以瞅瞅。
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长轮询其实原理跟轮询差不多，都是采用轮询的方式。不过，如果服务端的数据没有发生变更，会 一直 hold 住请求，直到服务端的数据发生变化，或者等待一定时间超时才会返回。返回后，客户端又会立即再次发起下一次长轮询。
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这次我使用 Apollo 配置中心实现长轮询的方式，应用了一个类`DeferredResult`，它是在 Servlet3.0 后经过 Spring 封装提供的一种异步请求机制，直意就是延迟结果。
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`DeferredResult`可以允许容器线程快速释放占用的资源，不阻塞请求线程，以此接受更多的请求提升系统的吞吐量，然后启动异步工作线程处理真正的业务逻辑，处理完成调用`DeferredResult.setResult(200)`提交响应结果。
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下边我们用长轮询来实现消息推送。
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因为一个 ID 可能会被多个长轮询请求监听，所以我采用了 Guava 包提供的`Multimap`结构存放长轮询，一个 key 可以对应多个 value。一旦监听到 key 发生变化，对应的所有长轮询都会响应。前端得到非请求超时的状态码，知晓数据变更，主动查询未读消息数接口，更新页面数据。
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```java
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@Controller
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@RequestMapping("/polling")
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public class PollingController {
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// 存放监听某个Id的长轮询集合
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// 线程同步结构
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public static Multimap<String, DeferredResult<String>> watchRequests = Multimaps.synchronizedMultimap(HashMultimap.create());
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/**
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* 设置监听
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*/
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@GetMapping(path = "watch/{id}")
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@ResponseBody
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public DeferredResult<String> watch(@PathVariable String id) {
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// 延迟对象设置超时时间
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DeferredResult<String> deferredResult = new DeferredResult<>(TIME_OUT);
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// 异步请求完成时移除 key，防止内存溢出
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deferredResult.onCompletion(() -> {
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watchRequests.remove(id, deferredResult);
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});
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// 注册长轮询请求
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watchRequests.put(id, deferredResult);
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return deferredResult;
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}
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||
/**
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* 变更数据
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*/
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@GetMapping(path = "publish/{id}")
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@ResponseBody
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public String publish(@PathVariable String id) {
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// 数据变更 取出监听ID的所有长轮询请求，并一一响应处理
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if (watchRequests.containsKey(id)) {
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Collection<DeferredResult<String>> deferredResults = watchRequests.get(id);
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for (DeferredResult<String> deferredResult : deferredResults) {
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deferredResult.setResult("我更新了" + new Date());
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}
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}
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return "success";
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}
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```
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当请求超过设置的超时时间，会抛出`AsyncRequestTimeoutException`异常，这里直接用`@ControllerAdvice`全局捕获统一返回即可，前端获取约定好的状态码后再次发起长轮询请求，如此往复调用。
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```kotlin
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@ControllerAdvice
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public class AsyncRequestTimeoutHandler {
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@ResponseStatus(HttpStatus.NOT_MODIFIED)
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@ResponseBody
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@ExceptionHandler(AsyncRequestTimeoutException.class)
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public String asyncRequestTimeoutHandler(AsyncRequestTimeoutException e) {
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System.out.println("异步请求超时");
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return "304";
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}
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}
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```
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我们来测试一下，首先页面发起长轮询请求`/polling/watch/10086`监听消息更变，请求被挂起，不变更数据直至超时，再次发起了长轮询请求；紧接着手动变更数据`/polling/publish/10086`，长轮询得到响应，前端处理业务逻辑完成后再次发起请求，如此循环往复。
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长轮询相比于短轮询在性能上提升了很多，但依然会产生较多的请求，这是它的一点不完美的地方。
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### iframe 流
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iframe 流就是在页面中插入一个隐藏的`<iframe>`标签，通过在`src`中请求消息数量 API 接口，由此在服务端和客户端之间创建一条长连接，服务端持续向`iframe`传输数据。
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传输的数据通常是 HTML、或是内嵌的 JavaScript 脚本，来达到实时更新页面的效果。
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这种方式实现简单，前端只要一个`<iframe>`标签搞定了
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```html
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<iframe src="/iframe/message" style="display:none"></iframe>
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```
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服务端直接组装 HTML、JS 脚本数据向 response 写入就行了
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```java
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@Controller
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@RequestMapping("/iframe")
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public class IframeController {
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@GetMapping(path = "message")
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public void message(HttpServletResponse response) throws IOException, InterruptedException {
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while (true) {
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response.setHeader("Pragma", "no-cache");
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response.setDateHeader("Expires", 0);
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response.setHeader("Cache-Control", "no-cache,no-store");
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response.setStatus(HttpServletResponse.SC_OK);
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response.getWriter().print(" <script type=\"text/javascript\">\n" +
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"parent.document.getElementById('clock').innerHTML = \"" + count.get() + "\";" +
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"parent.document.getElementById('count').innerHTML = \"" + count.get() + "\";" +
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"</script>");
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}
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}
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}
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```
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iframe 流的服务器开销很大，而且 IE、Chrome 等浏览器一直会处于 loading 状态，图标会不停旋转，简直是强迫症杀手。
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iframe 流非常不友好，强烈不推荐。
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### SSE (推荐)
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很多人可能不知道，服务端向客户端推送消息，其实除了可以用`WebSocket`这种耳熟能详的机制外，还有一种服务器发送事件(Server-Sent Events)，简称 SSE。这是一种服务器端到客户端(浏览器)的单向消息推送。
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大名鼎鼎的 ChatGPT 就是采用的 SSE。对于需要长时间等待响应的对话场景，ChatGPT 采用了一种巧妙的策略：它会将已经计算出的数据“推送”给用户，并利用 SSE 技术在计算过程中持续返回数据。这样做的好处是可以避免用户因等待时间过长而选择关闭页面。
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SSE 基于 HTTP 协议的，我们知道一般意义上的 HTTP 协议是无法做到服务端主动向客户端推送消息的，但 SSE 是个例外，它变换了一种思路。
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SSE 在服务器和客户端之间打开一个单向通道，服务端响应的不再是一次性的数据包而是`text/event-stream`类型的数据流信息，在有数据变更时从服务器流式传输到客户端。
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整体的实现思路有点类似于在线视频播放，视频流会连续不断的推送到浏览器，你也可以理解成，客户端在完成一次用时很长（网络不畅）的下载。
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SSE 与 WebSocket 作用相似，都可以建立服务端与浏览器之间的通信，实现服务端向客户端推送消息，但还是有些许不同：
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- SSE 是基于 HTTP 协议的，它们不需要特殊的协议或服务器实现即可工作；WebSocket 需单独服务器来处理协议。
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- SSE 单向通信，只能由服务端向客户端单向通信；WebSocket 全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息。
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- SSE 实现简单开发成本低，无需引入其他组件；WebSocket 传输数据需做二次解析，开发门槛高一些。
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- SSE 默认支持断线重连；WebSocket 则需要自己实现。
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- SSE 只能传送文本消息，二进制数据需要经过编码后传送；WebSocket 默认支持传送二进制数据。
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**SSE 与 WebSocket 该如何选择？**
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> 技术并没有好坏之分，只有哪个更合适
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SSE 好像一直不被大家所熟知，一部分原因是出现了 WebSocket，这个提供了更丰富的协议来执行双向、全双工通信。对于游戏、即时通信以及需要双向近乎实时更新的场景，拥有双向通道更具吸引力。
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但是，在某些情况下，不需要从客户端发送数据。而你只需要一些服务器操作的更新。比如：站内信、未读消息数、状态更新、股票行情、监控数量等场景，SEE 不管是从实现的难易和成本上都更加有优势。此外，SSE 具有 WebSocket 在设计上缺乏的多种功能，例如：自动重新连接、事件 ID 和发送任意事件的能力。
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前端只需进行一次 HTTP 请求，带上唯一 ID，打开事件流，监听服务端推送的事件就可以了
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```javascript
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<script>
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let source = null;
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let userId = 7777
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if (window.EventSource) {
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||
// 建立连接
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source = new EventSource('http://localhost:7777/sse/sub/'+userId);
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setMessageInnerHTML("连接用户=" + userId);
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/**
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||
* 连接一旦建立，就会触发open事件
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||
* 另一种写法：source.onopen = function (event) {}
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||
*/
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source.addEventListener('open', function (e) {
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||
setMessageInnerHTML("建立连接。。。");
|
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}, false);
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||
/**
|
||
* 客户端收到服务器发来的数据
|
||
* 另一种写法：source.onmessage = function (event) {}
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||
*/
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||
source.addEventListener('message', function (e) {
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||
setMessageInnerHTML(e.data);
|
||
});
|
||
} else {
|
||
setMessageInnerHTML("你的浏览器不支持SSE");
|
||
}
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</script>
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```
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服务端的实现更简单，创建一个`SseEmitter`对象放入`sseEmitterMap`进行管理
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```java
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private static Map<String, SseEmitter> sseEmitterMap = new ConcurrentHashMap<>();
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/**
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* 创建连接
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*/
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public static SseEmitter connect(String userId) {
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try {
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||
// 设置超时时间，0表示不过期。默认30秒
|
||
SseEmitter sseEmitter = new SseEmitter(0L);
|
||
// 注册回调
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||
sseEmitter.onCompletion(completionCallBack(userId));
|
||
sseEmitter.onError(errorCallBack(userId));
|
||
sseEmitter.onTimeout(timeoutCallBack(userId));
|
||
sseEmitterMap.put(userId, sseEmitter);
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||
count.getAndIncrement();
|
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return sseEmitter;
|
||
} catch (Exception e) {
|
||
log.info("创建新的sse连接异常，当前用户：{}", userId);
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||
}
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return null;
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}
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/**
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* 给指定用户发送消息
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*/
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public static void sendMessage(String userId, String message) {
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||
if (sseEmitterMap.containsKey(userId)) {
|
||
try {
|
||
sseEmitterMap.get(userId).send(message);
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||
} catch (IOException e) {
|
||
log.error("用户[{}]推送异常:{}", userId, e.getMessage());
|
||
removeUser(userId);
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||
}
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||
}
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}
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```
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**注意：** SSE 不支持 IE 浏览器，对其他主流浏览器兼容性做的还不错。
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### Websocket
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Websocket 应该是大家都比较熟悉的一种实现消息推送的方式，上边我们在讲 SSE 的时候也和 Websocket 进行过比较。
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这是一种在 TCP 连接上进行全双工通信的协议，建立客户端和服务器之间的通信渠道。浏览器和服务器仅需一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
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WebSocket 的工作过程可以分为以下几个步骤：
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1. 客户端向服务器发送一个 HTTP 请求，请求头中包含 `Upgrade: websocket` 和 `Sec-WebSocket-Key` 等字段，表示要求升级协议为 WebSocket；
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2. 服务器收到这个请求后，会进行升级协议的操作，如果支持 WebSocket，它将回复一个 HTTP 101 状态码，响应头中包含 ，`Connection: Upgrade`和 `Sec-WebSocket-Accept: xxx` 等字段、表示成功升级到 WebSocket 协议。
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3. 客户端和服务器之间建立了一个 WebSocket 连接，可以进行双向的数据传输。数据以帧（frames）的形式进行传送，而不是传统的 HTTP 请求和响应。WebSocket 的每条消息可能会被切分成多个数据帧（最小单位）。发送端会将消息切割成多个帧发送给接收端，接收端接收消息帧，并将关联的帧重新组装成完整的消息。
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4. 客户端或服务器可以主动发送一个关闭帧，表示要断开连接。另一方收到后，也会回复一个关闭帧，然后双方关闭 TCP 连接。
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另外，建立 WebSocket 连接之后，通过心跳机制来保持 WebSocket 连接的稳定性和活跃性。
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SpringBoot 整合 WebSocket，先引入 WebSocket 相关的工具包，和 SSE 相比有额外的开发成本。
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```xml
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<!-- 引入websocket -->
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<dependency>
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<groupId>org.springframework.boot</groupId>
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||
<artifactId>spring-boot-starter-websocket</artifactId>
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||
</dependency>
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```
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服务端使用`@ServerEndpoint`注解标注当前类为一个 WebSocket 服务器，客户端可以通过`ws://localhost:7777/webSocket/10086`来连接到 WebSocket 服务器端。
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```java
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@Component
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@Slf4j
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@ServerEndpoint("/websocket/{userId}")
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public class WebSocketServer {
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||
//与某个客户端的连接会话，需要通过它来给客户端发送数据
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private Session session;
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private static final CopyOnWriteArraySet<WebSocketServer> webSockets = new CopyOnWriteArraySet<>();
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||
// 用来存在线连接数
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private static final Map<String, Session> sessionPool = new HashMap<String, Session>();
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||
/**
|
||
* 链接成功调用的方法
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||
*/
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||
@OnOpen
|
||
public void onOpen(Session session, @PathParam(value = "userId") String userId) {
|
||
try {
|
||
this.session = session;
|
||
webSockets.add(this);
|
||
sessionPool.put(userId, session);
|
||
log.info("websocket消息: 有新的连接，总数为:" + webSockets.size());
|
||
} catch (Exception e) {
|
||
}
|
||
}
|
||
/**
|
||
* 收到客户端消息后调用的方法
|
||
*/
|
||
@OnMessage
|
||
public void onMessage(String message) {
|
||
log.info("websocket消息: 收到客户端消息:" + message);
|
||
}
|
||
/**
|
||
* 此为单点消息
|
||
*/
|
||
public void sendOneMessage(String userId, String message) {
|
||
Session session = sessionPool.get(userId);
|
||
if (session != null && session.isOpen()) {
|
||
try {
|
||
log.info("websocket消: 单点消息:" + message);
|
||
session.getAsyncRemote().sendText(message);
|
||
} catch (Exception e) {
|
||
e.printStackTrace();
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
}
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||
```
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||
服务端还需要注入`ServerEndpointerExporter`，这个 Bean 就会自动注册使用了`@ServerEndpoint`注解的 WebSocket 服务器。
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```java
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@Configuration
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||
public class WebSocketConfiguration {
|
||
|
||
/**
|
||
* 用于注册使用了 @ServerEndpoint 注解的 WebSocket 服务器
|
||
*/
|
||
@Bean
|
||
public ServerEndpointExporter serverEndpointExporter() {
|
||
return new ServerEndpointExporter();
|
||
}
|
||
}
|
||
```
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||
前端初始化打开 WebSocket 连接，并监听连接状态，接收服务端数据或向服务端发送数据。
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||
```javascript
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<script>
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||
var ws = new WebSocket('ws://localhost:7777/webSocket/10086');
|
||
// 获取连接状态
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||
console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);
|
||
//监听是否连接成功
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||
ws.onopen = function () {
|
||
console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);
|
||
//连接成功则发送一个数据
|
||
ws.send('test1');
|
||
}
|
||
// 接听服务器发回的信息并处理展示
|
||
ws.onmessage = function (data) {
|
||
console.log('接收到来自服务器的消息：');
|
||
console.log(data);
|
||
//完成通信后关闭WebSocket连接
|
||
ws.close();
|
||
}
|
||
// 监听连接关闭事件
|
||
ws.onclose = function () {
|
||
// 监听整个过程中websocket的状态
|
||
console.log('ws连接状态：' + ws.readyState);
|
||
}
|
||
// 监听并处理error事件
|
||
ws.onerror = function (error) {
|
||
console.log(error);
|
||
}
|
||
function sendMessage() {
|
||
var content = $("#message").val();
|
||
$.ajax({
|
||
url: '/socket/publish?userId=10086&message=' + content,
|
||
type: 'GET',
|
||
data: { "id": "7777", "content": content },
|
||
success: function (data) {
|
||
console.log(data)
|
||
}
|
||
})
|
||
}
|
||
</script>
|
||
```
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页面初始化建立 WebSocket 连接，之后就可以进行双向通信了，效果还不错。
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### MQTT
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**什么是 MQTT 协议？**
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MQTT (Message Queue Telemetry Transport)是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息，是物联网（Internet of Thing）中的一个标准传输协议。
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该协议将消息的发布者（publisher）与订阅者（subscriber）进行分离，因此可以在不可靠的网络环境中，为远程连接的设备提供可靠的消息服务，使用方式与传统的 MQ 有点类似。
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TCP 协议位于传输层，MQTT 协议位于应用层，MQTT 协议构建于 TCP/IP 协议上，也就是说只要支持 TCP/IP 协议栈的地方，都可以使用 MQTT 协议。
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**为什么要用 MQTT 协议？**
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MQTT 协议为什么在物联网（IOT）中如此受偏爱？而不是其它协议，比如我们更为熟悉的 HTTP 协议呢？
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- 首先 HTTP 协议它是一种同步协议，客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网（IOT）环境中，设备会很受制于环境的影响，比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等，显然异步消息协议更为适合 IOT 应用程序。
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- HTTP 是单向的，如果要获取消息客户端必须发起连接，而在物联网（IOT）应用程序中，设备或传感器往往都是客户端，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。
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- 通常需要将一条命令或者消息，发送到网络上的所有设备上。HTTP 要实现这样的功能不但很困难，而且成本极高。
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||
具体的 MQTT 协议介绍和实践，这里我就不再赘述了，大家可以参考我之前的两篇文章，里边写的也都很详细了。
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||
- MQTT 协议的介绍：[我也没想到 SpringBoot + RabbitMQ 做智能家居，会这么简单](https://mp.weixin.qq.com/s/udFE6k9pPetIWsa6KeErrA)
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||
- MQTT 实现消息推送：[未读消息（小红点），前端 与 RabbitMQ 实时消息推送实践，贼简单~](https://mp.weixin.qq.com/s/U-fUGr9i1MVa4PoVyiDFCg)
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## 总结
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> 以下内容为 JavaGuide 补充
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| | 介绍 | 优点 | 缺点 |
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| --------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ---------------------- | ---------------------------------------------------- |
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| 短轮询 | 客户端定时向服务端发送请求，服务端直接返回响应数据（即使没有数据更新） | 简单、易理解、易实现 | 实时性太差，无效请求太多，频繁建立连接太耗费资源 |
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||
| 长轮询 | 与短轮询不同是，长轮询接收到客户端请求之后等到有数据更新才返回请求 | 减少了无效请求 | 挂起请求会导致资源浪费 |
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| iframe 流 | 服务端和客户端之间创建一条长连接，服务端持续向`iframe`传输数据。 | 简单、易理解、易实现 | 维护一个长连接会增加开销，效果太差（图标会不停旋转） |
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| SSE | 一种服务器端到客户端(浏览器)的单向消息推送。 | 简单、易实现，功能丰富 | 不支持双向通信 |
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| WebSocket | 除了最初建立连接时用 HTTP 协议，其他时候都是直接基于 TCP 协议进行通信的，可以实现客户端和服务端的全双工通信。 | 性能高、开销小 | 对开发人员要求更高，实现相对复杂一些 |
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| MQTT | 基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息。 | 成熟稳定，轻量级 | 对开发人员要求更高，实现相对复杂一些 |
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